UV-Laser strahlt auf einfache Weise

Dieses „10-%-Problem“, dem sich die MINIMODS-Forscher im Jahr 2013 annahmen, stellt die Industrie schon seit Langem vor große Herausforderungen. Bislang war die Nutzung einiger Laser-Spektralregionen – insbesondere im UV-Bereich bei Wellenlängen von ca. 300 nm – alles andere als ein Kinderspiel: UV-Impulse mussten mithilfe von Frequenzumrichtern erzeugt werden, die auf Lichtausbreitungsmodellen oder einfachen numerischen Simulationen basieren. Mit diesem Vorgang konnten Impulse im nahen Infrarot zu UV-Impulsen umgewandelt werden, indem die Energie der zugrunde liegenden Impulsphotonen zusammengefasst wurde.

Der größte Nachteil dieser Methode bestand jedoch darin, dass die Konversionseffizienz bei etwa 10 % stagnierte. „Die Arbeit sah in etwa so aus, dass man ins Labor kommt, hier und da einen Drehregler verstellt und so versucht, die UV-Leistung zu maximieren“, erinnert sich Dr. Michal Nejbauer von der Fakultät für Physik der Universität Warschau. „Mehr als 10 % lassen sich mit diesem Ansatz einfach nicht erreichen.“

Der Frequenzverdreifacher

Der Verdreifacher der MINIMODS-Forscher verdreifacht nicht nur die Effizienz, sonder ist auch noch so klein, dass er auf einer Fingerspitze Platz findet. Mithilfe einer zweischichtigen Struktur aus nonlinearen und doppelbrechenden Kristallen wandelt er 190 Femtosekunden lange Lichtimpulse mit einer Wellenlänge von 1040 nm aus einem Ytterbium-Kristall in ultraviolettes Licht um. Er passt direkt in den Laserkopf, kann hermetisch versiegelt werden und ist mit einem Open-Source-Simulationspaket namens Hussar verknüpft.

„Hussar erlaubt es selbst unerfahrenen Anwendern, komplexe, dreidimensionale und genaue Simulationen der Ausbreitung mehrerer Impulse und der Wechselwirkung zwischen ihnen zu erstellen, wofür nur einige Bausteine benötigt werden: Eingabeparameter des Impulses, Materialeigenschaften des Mediums und die zu berücksichtigenden Prozesse“, erklärt Tomasz Kardas, der die Software entwickelte.

„Nach Definition der Eingabeparameter – wie Energie, Dauer und räumliches Strahlprofil – suchen wir im Grunde nach der besten Konfiguration vieler verschiedener Parameter, darunter zum Beispiel die Dicke der nonlinearen Kristalle, die Strahlgröße und die Position der Strahltaille. Und zu unserer Überraschung entsprachen die ausgegebenen UV-Impulse, nachdem wir die optimalen Werte ermittelt, das Gerät gebaut und dessen Leistung gemessen hatten, exakt unserer Simulation. Eine solche quantitative Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und den im Labor gemessenen Werten ist in der nonlinearen Optik ziemlich selten.“

Weitere Entwicklung

Der Verdreifacher wird in die ultrakurz gepulsten Laser des Unternehmens integriert werden. In der Zwischenzeit arbeiten die Forscher an der Verbesserung der Software, damit sie für mehr Anwendungen in der optischen Konstruktion eingesetzt werden kann. Diese Software ist zur nicht-kommerziellen Nutzung freigegeben und kann zudem von Unternehmen erworben werden, die sie für ein Produkt nutzen möchten.

„Ich glaube, dass die neue Generation der Software für 3D-Impulsausbreitung einen großen Schritt in Richtung der Konstruktion vieler Geräte darstellen könnte, die mit nonlinearer Breitband-Impulsausbreitung arbeiten, beispielsweise parametrischer Verstärker“, sagt Piotr Wasylczyk, der leitende Autor der wissenschaftlichen Arbeit, die in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde. „Mein Eindruck ist heute, dass in den meisten Fällen nur eine vereinfachte Modellierung betrieben wird, mit der keine optimalen Ergebnisse erzielt werden können.“

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